설비기술/ 공해와 에너지대체 위한 유도 용해로
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공해와 에너지대체 위한 유도 용해로
고주파유도용해로는 에너지효율을 극대화하고 작업환경과 품질관리면에서 우수하며 공해방지를 위한 무공해시스템으로 많은 장점으로 근대 철강 산업 및 비철금속산업의 용해설비와 열간성형 및 열처리설비로 용해. 가열설비의 총아로서 첨단기술로 등장하였다.

특히 주조분야는 성에너지, 성자원 등의 합리화 및 공해와 에너지 대체를 위해 최근에는 큐프라, 도가니, 저주파대신 고주파유도로가 주로 도입 되어지고 있다.

1. 유도용해로의 변천
고주파유도로의 역사는 오래되어, 파라드가 1831년에 유도가열의 원리인 전자유도를 발견하고 나서 약 100년 후인 1930년에 유럽에서 처음으로 구형 유도로와 전동발전기식 소형 고주파유도로가 소개되었다.
그후 자동차, 조선 및 주조 등 각 산업계의 생산규모확대를 동반하고 또 공해대책으로 타종 로보다 우수하여 금속용해설비로서 본격적으로 설치되었다.

1970년대 고도성장시대에는 저주파 도가니형 유도로에서 40ton/10,000kw, 구형유도로에서는 85ton/65ton/2000kw가 가동하고 있고, 세계적인 대형로를 보유하게까지 성장했다. 국내주조분야는 성에너지, 성자원 또는 합리화가 진행되는 중에, 신규 용해설비에서는 저주파유도로를 대신해서 고주파유도로가 주류가 되어 보급되고 있는 실정이다.

이것은, 저주파유도로에 비해 사일리스터인버터식 고주파 유도로의 성에너지효과 및 쉬운 사용법이 인정받게 되고 설비비가 절감되어온 점, 더욱이 고출력 인버터의 신뢰성이 인정받게 되었기 때문이다.

종래 1ton이하의 주강, 스텐레스강, 특수주철용이 주요 적용범위였지만, 보통주철에서도 적용되어 오히려 1-5ton 주철용 용해로가 주류를 이루었다. 최근에는 20ton, 3500kw, 300Hz 의 유도용해로가 가동되고 있다.

2. 고주파유도로의 특징
고주파유도로의 특징은 로용량에 비해 고입력을 얻을 수 있고 성에너지에 적합하다는 것이다. 현재, 야금적 문제가 일어나지 않는다고 되어 있는 입력 한계는 그림1에서 볼 수 있다.

이 그림에서 동일로용이면 적용주파수를 올리는만큼 높은 압력을 얻을 수 있고, 동일입력이면 적용주파수를 올리는만큼 로용을 작게 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
이것은 동일용해량에 비해 로체에서의 방열손실이 작아지는 것을 의미하고, 주파수 변환효율을 가미해도 조업조건에 따라서는 성에너지대책에 효과가 있음을 나타낸다.

더욱이 고주파유도로는 로용을 작게 할 수 있어, 설치공간이 작고 집진장치 등의 부대설비가 소형화된다. 또 전력조정이 용이하여 자동온도제어 운전의 가능함을 볼 때 고주파로가 널리 보급되어 온 점을 다음과 같이 들 수 있겠다.

[1] 로 체
(1) 로체구조
고주파유도로의 로체전력밀도는 통상 주파로의 약 3배 이상이 되기 때문에 안전하고 견고한 로체구조로 되어 있다. 그림 2는 로체단면도를 나타낸다.
용탕을 유지하는 도가니상의 내화물은 일반적으로 건식스탬프제를 붙여 고성형(固成形)하고, 혹은 흑연 도가니 등의 정형도가니를 사용한다. 그 외주에는 수냉동관의 통전코일, 그 외측에는 계철을 배치하여 자속이 새는 것을 막고 코일 배후에는 강력하게 지탱하는 역할을 하고 있다.

로틀은 전체를 지지하여 빈번한 경동에 견디도록 강재의 강고한 구조를 하고 있다.
계철을 사용하지 않은 300kg 이하의 소용량에서는 누설자속에 의한 로틀의 과열을 방지하기 위해, 비자성재료 또는 절연물로 로틀을 구성하는 것이 일반적이다. 여기서 중요한 것은 고주파유도로의 용해전력효율을 향상시키려면 이 로본체의 전기효율을 얼마나 향상시킬 수 있는가 하는 것이다.

그림3에 일반적인 고주파유도로의 주회로를 나타내었다. 용해중에 있어서 전력에너지수지(그림4)는 용탕중에 발생하는 전력이 72-74%로 전원변압기에서 로체를 포함한 전력손실은 26-28%이다.

이중 전원변압기, 주파수변환장치, 콘덴서, 접합용변압기, 배선손실 등의 모든 전기장치의 손실은 8%이상이고 18-20%가 로체의 전력손실 즉, 전력손실의 70%이상이 로체의 전력손실인 것에서 얼마나 로체의 구조가 성에너지성의 포인트가 되는지를 알 수 있다.

(2)코일
로체형상은 환형 또는 각형이 사용된다. 고주파대전류의 표피효과를 생각하면 그림5에 나타나는 이형동관은 통전단면적이 많아져 환형파이프로체의 경우보다 효율이 약 2-3% 향상된다. 또 단면계수가 크게 취해져 코일변형에 비해 튼튼하고 유효한 형상이다.

절연방식은 결로 현상이 발생하기 쉬운 조건과 먼지가 많은 주물공장의 환경조건을 생각하면 코일도체에 절연테이프를 감아 더욱 와니스 함침하는 방식이 가장 적합하다고 할 수 있다.


(3)계철(繼鐵)
계철을 가지지 않은 고주파에서는 누설자속을 피할 수 없어 손실이 크게 불안정해지기 때문에 성능보증이 곤란해 진다. 누설자 속의 영향을 절감하기 위해 앞에서 얘기했듯이 로틀을 비금속재료로 해야하고 또 작업데크를 필요로하는 경우에 철재는 사용할 수 없다는 제한이 나온다.

필자는 계철을 가지지않은 고주파로체를 계철부 로체로 치환함에 따라, 전력변환 효율이 약 15%개선된 경험도 있고 500kg이상 또는 300kw를 넘는 경우는 계철부 로체구조로 해야한다고 생각한다.

[2] 전원장치
반도체디바이스를 사용한 고주파인버터는 주회로방식에 따라 전합형과 전류형 2종류가 있다. 이들 2종류 인버터는 3KHz를 경계로하여 이 이하의 주파수인 경우는 전류형, 이상인 경우는 전합형이 각각의 특성이 발휘되어 우위성이 있다.

고주파유도로 전원으로는 1970년대에 반도체디바이스의 현저한 진보와 함께 사일리스터를 이용한 고주파인버터가 실용화되고, 고주파전원기식을 대신하여 널리 보급되었다.

또 최근에는 바이폴라 트랜지스터를 사용한 전압형 트랜지스터인버터가 실용화되어 비교의 소용량로에 채용되고 있다. 가장 일반적인 사일리스터를 사용한 전류형인버터를 그림 3에 나타낸다.
이 방식은 주회로가 간단하여 부품점수도 비교적 적고 신뢰성, 동작의 안전성에서 뛰어나다.

현재의 고주파사일리스터 소자는 1200V, 1500A, 턴오프타임 20μS급이 사용되고, 대용량에서는 특수한 고주파전류바란서의 실용화에 따라 최대 5-6 대까지 병렬접속이 가능, 800kw, 500Hz와 500kw, 10Hz의 사일리스터인버터가 제작가능하다.

또, 고주파사일리스터인버터는 부하 LC회로의 공진과 동기한 제어장치에서의 신호에 의해 점고되어, 부하의 특성이 용해운전중 변화할 때 자동적으로 주파수가 변화하는 것이 특색이다. 인버터에서 본 인피던스 용해초기에 냉재장입직후에 작고, 가열하에 따라 서서히 커진다. 더욱이 냉재를 추장함에 따라 이 변화폭은 작아져 용해말기에는 정격치에 접근한다.

한편 제어장치는 사일리스터 소자보호를 위해 그림 6에 나타나듯이 출력전압 전류를 자동적으로 제한하고 있기 때문에 통상의 용해운전으론 용해초기부터 말기까지의 로입력부하율이 약 92-92%가 된다. 최근 대형고주파는 로내 임피던스의 인버터운전상태에서 최적조건을 마이크로컴퓨터가 연산하여 자동적으로 부하정합을 조정하는 기능을 가지고 있는 것도 있다.

이것에 의하면 용해초기부터 완료까지 98%이상의 전력을 투입하는 것이 가능하며 통상 계약전력에 비해 용해능력을 약 10% 올릴 수 있고 역으로 용해능력을 정격치 이내에서 억제해 두면 계약전력을 약 8% 내릴 수 있다.

[3] 내화물, 축로
유도로에 사용되고 있는 내화물은 특유의 조건에 따라야하며 그들 조건중에서 중요한 것은 다음과 같다.
자기적결합도를 좋게 하여 충분히 전력이 흡수되도록 가능한한 로벽을 얇게 한다.

냉각수 사용에 수반되는 온도차, 용탕의 강한 각반운동, 라이닝과 쇄교하는 자기에 의한 침투금 속의 가열, 내화물표면에 대한 슬러그침식, 금속 산화물의 침투, 로의 짚이 증가에 수반하는 정적하중, 고온에서의 작업 등 내화물에 큰 영향을 준다.

(1) 내화물
현재 도가니형 유도로용 내화물로서 가장 신뢰되고 널리 사용되고 있는 재료를 표 1에 나타내었다. 이중 비철금속용해용에 있어서는 고주파 특유의 현상에 의해 로재가 단수명으로 끝날 수도 있으므로 내화물선정에 대해서는 로표면에 부착퇴각하여 여기에 고주파밀도의 자속이 걸려 로벽 표면이 가열되고 로재는 과소결된다.

과소결 된 로재는 조업중의 열팽창 수축에 의해 균열을 일으키기 쉬어지고, 이것을 통해 용탕이 침투하는 경향이 있다. 그 때문에 분체층이 남도록 내화물의 인버터량을 조정하는 등의 연구가 필요하다.

(2) 축로
주철용탕용 부정형내화물에 있어서 현재 거의 건식축로가 실시되어, 스태므재를 철재형틀의 주위에 부착, 로코일통전에 의해 형틀을 가열하여 용입하는 방법이 일반적이다.

그러나, 소결작업이 불필요한 것과 축로시간 단축을 위해 성형실리카도가니 등의 연구도 활발해 내용회수의 개선이 문제가 되고 있다. 동합금이나 알루미늄용에서는 철재형틀을 사용할 수 없는 경우가 많아 이때는 형틀을 예열 후 일단 냉각하고 나서 빼내는 영구형틀법이 채용되고 있다.

여기에서, 축로에 관한 최근 정보로서 내화물급속해체법(QRL법)에 대하여 소개하겠다. 이 방법은 그림7과 같이 로체를 90기울인 상태에서 로저에 설치한 구멍에 유압실린더를 대고, 도가니상이 되어 있는 내화물을 3분전후로 단숨에 압출하는 것이다.

이것에 따르면 ①악환경 하 중작업에서의 해방 ②해체신단축 ③해체작업시 코일내 표면손상 해소 등의 메리트가 있다

3. 특수용해로
유도용해로 개발의 새로운 경향으로서 냉각도가니식 유도로가 있다. 이것은 세크먼트에 자른 금속성수냉도가니를 고주파유도코일 중에 설치하여 자기압에 의한 무접촉보지로 용해할 수 있는 유도로인 것이다.
1926년에 독일에서 그 원리가 발표된 이래 각국에서 단속적인 연구가 되고 있는데 아직 실용화할 수 있는 기술은 확립되어 있지 않다. 본로의 일례를 그림8에서 나타낸다.

①은 코일냉각도가니
②는 탕운동상태
③은 로코일을 나타내고 또 B의 금속은 도가니에 접해 있지만 A와 E부분은 일부 밖에 접해 있지 않음을 나타내고 있다.
이 경우 용탕과 도가니벽과의 접촉부에서의 열로스가 100-400kw/cm2로 상당히 커서 이 접촉부면적을 얼마나 작게 하느냐가 중요해진다.
현재 국내에 있어서도 도가니애의 자속분포 및 용탕에 주어진 전자력에 대하여 계산기를 사용한 3차원 해석과 모델기에 의한 실험, 연구가 활발해 금후가 주목된다.
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